本發(fā)明屬于金屬表面處理技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及激光熔覆原位自生陶瓷相增強fe基合金熔覆層材料及其制備方法。

背景技術(shù)：

傳統(tǒng)鋼鐵類零件常因表面磨損失效造成巨大經(jīng)濟損失，在易磨損零件表面制備高硬度、高耐磨性的熔覆層是延長使用壽命、修復(fù)失效部件的重要途徑。激光熔覆技術(shù)具有熔覆層與基體結(jié)合強度高，熔覆過程中熱影響區(qū)及熱變形小，組織致密，容易實現(xiàn)機械自動化等一系列優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用在航空、航天、模具、汽車工業(yè)、化工等領(lǐng)域。利用激光熔覆技術(shù)在鋼鐵類零件表面激光熔覆高硬度、耐磨和耐蝕性能優(yōu)異的熔覆層，不僅能大幅度提高零件的使用壽命，還可以降低對能源的消耗，減少對環(huán)境的污染。

目前研究報道的激光熔覆材料包括ni基、co基、fe基合金粉末及金屬-陶瓷復(fù)合粉末；其中，鐵基合金粉末因價格低廉，與鋼鐵基材的成分相近，潤濕性好，結(jié)合強度高等特性，具有最廣闊的應(yīng)用前景；但是，鐵合金熔覆層的硬度、耐磨性能等有待進一步提高，涂層中容易產(chǎn)生裂紋也是亟待解決的問題；cn104878382a公開了一種激光熔覆用合金粉末及激光熔覆該粉末的方法，激光熔覆用合金粉末中含有較高含量的c、si、b等元素，使熔覆層具有耐高溫能力強、耐磨性強、硬度高、組織致密、晶粒細(xì)化、氣孔和裂紋少等優(yōu)點；cn104120424a公開了鐵基激光熔覆粉末及熔覆層制備方法；cn103290406a公開了激光熔覆原位合成陶瓷相增強fe基熔覆層及其制備方法，原位合成陶瓷硬質(zhì)相主要有tic、tib2和b4c，顯微硬度值高達1000hv以上；申請人前期的授權(quán)專利cn103484810b公布了等離子熔覆原位自生tib2-tic-tin增強高熵合金涂層材料及制備方法，涂層平均維氏硬度高達1104hv，具有長效耐磨和防腐性能，但無法滿足航空航天零部件高性能和長壽命服役的要求，對失效零部件修復(fù)和再使用也存在局限性。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供激光熔覆原位自生陶瓷相增強fe基合金熔覆層材料及其制備方法，利用激光熔覆技術(shù)制備的熔覆層與基體材料呈良好的冶金結(jié)合，耐磨和耐蝕性能好，并可多次修復(fù)再使用，滿足航空航天部件高性能長壽命服役的要求。

本發(fā)明的目的通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)：

激光熔覆原位自生陶瓷相增強fe基合金熔覆層材料，所述熔覆層材料由包含以下組分和重量百分比含量的原料組成：co8-10wt％，cr8-10wt％，ni8-10wt％，mn8-10wt％，ti8-10wt％，si8-10wt％，c16-20wt％，b4c1-3％，bn1-3wt％，y2o33-5wt％，zro23-5wt％，余量為fe。

優(yōu)選的，所述熔覆層材料由包含以下組分和重量百分比含量的原料組成：co9wt％，cr9wt％，ni9wt％，mn9wt％，ti9wt％，si9wt％，c18wt％，b4c2％，bn2wt％，y2o34wt％，zro24wt％，余量為fe。

所述的熔覆層材料原料純度不低于99.9wt％，平均粒度為10-200um。

激光熔覆原位自生陶瓷相增強fe基合金熔覆層的制備方法，包含以下步驟：

(1)基體材料的預(yù)處理：基體材料為碳鋼或合金鋼，預(yù)處理包括表面打磨、表面除油除銹，所述表面打磨采用車削或砂紙打磨，所述表面除油除銹采用酒精進行表面清洗和擦拭，然后烘干備用；

(2)熔覆層原料的準(zhǔn)備與混合：按照所述原料重量百分比和組分稱取原料并充分混合均勻，用酒精均勻調(diào)成糊狀，然后將糊狀混合粉末均勻涂敷所述步驟(1)中基體材料的待熔表面得預(yù)涂層，自然風(fēng)干；

(3)激光熔覆和重熔：開啟激光器，調(diào)節(jié)激光熔覆工藝參數(shù)，在保護氣保護下用激光束對所述步驟(2)中預(yù)涂層進行激光熔覆，激光束垂直掃描，預(yù)涂層在激光能量照射下原位反應(yīng)生成陶瓷硬質(zhì)相熔覆層；按照相同熔覆工藝參數(shù)對所述熔覆層進行激光重熔進一步細(xì)化得硬質(zhì)晶體相熔覆層；

(4)熔覆層的后處理：使用千分尺對熔覆前后的尺寸檢測，通過著色探傷檢測，確保熔覆層無裂紋、氣孔、夾雜等缺陷。

所述的步驟(2)中涂層厚度為0.5-4mm。

所述的步驟(3)中激光器為3000-5000w二氧化碳?xì)怏w激光器。

所述的步驟(3)中保護氣為氬氣，保護氣壓為0.5-1.0mpa。

所述的步驟(3)中工藝參數(shù)包括：激光功率為2-4kw，掃描速度為6-10mm/s，光斑直徑為4mm，激光器鏡面到基體表面的距離為100mm。

所述的步驟(3)中陶瓷硬質(zhì)相包含tic、tib2、b4c、sic、y2o3、zro2。

所述的熔覆層與基體材料產(chǎn)生冶金結(jié)合，平均維氏硬度高達2000hv。

本發(fā)明具有如下優(yōu)點：

1、本發(fā)明的激光熔覆技術(shù)對表面預(yù)處理要求低、熔覆工序簡單；熔覆層具有結(jié)合強度高、耐磨和耐蝕性能好等優(yōu)點，硬度高、組織致密、晶粒細(xì)化、氣孔和裂紋少，激光熔覆部件可多次修復(fù)再使用，滿足航空航天部件高精密、微型化的要求；2、激光熔覆技術(shù)大幅提高部件的工作可靠性，有效降低生產(chǎn)成本；3、y2o3和zro2陶瓷硬質(zhì)相具有熔點高、導(dǎo)熱系數(shù)小、熱膨脹系數(shù)高、熱穩(wěn)定性好等優(yōu)點，是應(yīng)用最廣泛的熱障涂層材料之一，拓寬激光熔覆部件在航空航天、海洋化工等領(lǐng)域極端環(huán)境的應(yīng)用范圍。

附圖說明

圖1tic和sic復(fù)合增強鐵基激光熔覆層的掃描電鏡形貌。由圖可見，tic呈不規(guī)則的多變形，sic呈較為細(xì)小的四方形。

圖2b4c增強鐵基激光熔覆層的掃描電鏡形貌。由圖可見，b4c顆粒分布不夠均勻，呈較為規(guī)則的片狀四方形。

圖3tib2增強鐵基激光熔覆層的掃描電鏡形貌。由圖可見，tib2呈長條形狀分布，寬窄結(jié)合分布，具有較大長短軸比，對基體能夠起到類似的“陶瓷纖維”增強效應(yīng)。

圖4zro2和y2o3增強鐵基激光熔覆層的掃描電鏡形貌。由圖可見，zro2和y2o3的分布不夠均勻，形狀不夠規(guī)則，總體顆粒尺寸較小，y2o3的顆粒尺寸更小，對熔覆層起到復(fù)合氧化物陶瓷相增強作用。

具體實施方式

以下實施例用于說明本發(fā)明，但不用來限制本發(fā)明的范圍；所制得的陶瓷相ticsic、b4c、tib2、zro2和y2o3增強熔覆層的組織形貌采用hitachis-4800型掃描電子顯微鏡進行了觀察，分別如圖1、圖2、圖3和圖4所示。

實施例1

激光熔覆原位自生陶瓷相增強fe基合金熔覆層材料，由包含以下組分和重量百分比含量的原料組成：co8wt％，cr8wt％，ni8wt％，mn8wt％，ti8wt％，si8wt％，c16wt％，b4c1％，bn1wt％，y2o33wt％，zro23wt％，余量為fe；原料純度不低于99.9wt％，平均粒度為10um。

激光熔覆原位自生陶瓷相增強fe基合金熔覆層的制備方法，包含以下步驟：

(1)基體材料的預(yù)處理：基體材料為低碳鋼，預(yù)處理包括表面打磨、表面除油除銹，所述表面打磨采用車削或砂紙打磨，所述表面除油除銹采用酒精進行表面清洗和擦拭，然后烘干備用；

(2)熔覆層原料的準(zhǔn)備與混合：按照所述原料重量百分比和組分稱取原料并充分混合均勻，用酒精均勻調(diào)成糊狀，然后將糊狀混合粉末均勻涂敷步驟(1)中基體材料的待熔表面得預(yù)涂層，涂層厚度為0.5mm，自然風(fēng)干；

(3)激光熔覆和重熔：開啟3000w二氧化碳?xì)怏w激光器，調(diào)節(jié)激光熔覆工藝參數(shù)：激光功率為2kw，掃描速度為6mm/s，光斑直徑為4mm，激光器鏡面到基體表面的距離為100mm，在保護氣壓為0.5mpa的氬氣保護下用激光束對步驟(2)中預(yù)涂層進行激光熔覆，激光束垂直掃描，預(yù)涂層在激光能量照射下原位反應(yīng)生成陶瓷硬質(zhì)相的熔覆層；按照相同熔覆工藝參數(shù)對所述熔覆層進行激光重熔進一步細(xì)化得硬質(zhì)晶體相的熔覆層；

(4)熔覆層的后處理：使用千分尺對熔覆前后的尺寸檢測，通過著色探傷檢測，確保熔覆層無裂紋、氣孔、夾雜等缺陷。

熔覆層陶瓷硬質(zhì)相包含tic、tib2、b4c、sic、y2o3、zro2；熔覆層與基體材料產(chǎn)生冶金結(jié)合，平均維氏硬度高達2000hv。

實施例2

激光熔覆原位自生陶瓷相增強fe基合金熔覆層材料，由包含以下組分和重量百分比含量的原料組成：co10wt％，cr10wt％，ni10wt％，mn10wt％，ti10wt％，si10wt％，c20wt％，b4c3％，bn3wt％，y2o35wt％，zro25wt％，余量為fe；原料純度不低于99.9wt％，粒度為200um。

激光熔覆原位自生陶瓷相增強fe基合金熔覆層的制備方法，包含以下步驟：

(1)基體材料的預(yù)處理：基體材料為低碳鋼，預(yù)處理包括表面打磨、表面除油除銹，所述表面打磨采用車削或砂紙打磨，所述表面除油除銹采用酒精進行表面清洗和擦拭，然后烘干備用；

(2)熔覆層原料的準(zhǔn)備與混合：按照所述原料重量百分比和組分稱取原料并充分混合均勻，用酒精均勻調(diào)成糊狀，然后將糊狀混合粉末均勻涂敷步驟(1)中基體材料的待熔表面得預(yù)涂層，涂層厚度為4mm，自然風(fēng)干；

(3)激光熔覆和重熔：開啟5000w二氧化碳?xì)怏w激光器，調(diào)節(jié)激光熔覆工藝參數(shù)：激光功率為4kw，掃描速度為10mm/s，光斑直徑為4mm，激光器鏡面到基體表面的距離為100mm，在保護氣壓為1.0mpa的氬氣保護下用激光束對步驟(2)中預(yù)涂層進行激光熔覆，激光束垂直掃描，預(yù)涂層在激光能量照射下原位反應(yīng)生成陶瓷硬質(zhì)相的熔覆層；按照相同熔覆工藝參數(shù)對所述熔覆層進行激光重熔進一步細(xì)化得硬質(zhì)晶體相的熔覆層；

(4)熔覆層的后處理：使用千分尺對熔覆前后的尺寸檢測，通過著色探傷檢測，確保熔覆層無裂紋、氣孔、夾雜等缺陷。

熔覆層陶瓷硬質(zhì)相包含tic、tib2、b4c、sic、y2o3、zro2；熔覆層與基體材料產(chǎn)生冶金結(jié)合，平均維氏硬度高達2000hv。

實施例3

激光熔覆原位自生陶瓷相增強fe基合金熔覆層材料，由包含以下組分和重量百分比含量的原料組成：co8.5wt％，cr8.5wt％，ni8.5wt％，mn8.5wt％，ti8.5wt％，si8.5wt％，c17wt％，b4c1.5％，bn1.5wt％，y2o33.5wt％，zro23.5wt％，余量為fe；原料純度不低于99.9wt％，平均平均粒度為200um。

激光熔覆原位自生陶瓷相增強fe基合金熔覆層的制備方法，包含以下步驟：

(1)基體材料的預(yù)處理：基體材料為低碳鋼，預(yù)處理包括表面打磨、表面除油除銹，所述表面打磨采用車削或砂紙打磨，所述表面除油除銹采用酒精進行表面清洗和擦拭，然后烘干備用；

(2)熔覆層原料的準(zhǔn)備與混合：按照所述原料重量百分比和組分稱取原料并充分混合均勻，用酒精均勻調(diào)成糊狀，然后將糊狀混合粉末均勻涂敷步驟(1)中基體材料的待熔表面得預(yù)涂層，涂層厚度為1mm，自然風(fēng)干；

(3)激光熔覆和重熔：開啟4000w二氧化碳?xì)怏w激光器，調(diào)節(jié)激光熔覆工藝參數(shù)：激光功率為3kw，掃描速度為8mm/s，光斑直徑為4mm，激光器鏡面到基體表面的距離為100mm，在保護氣壓為0.8mpa的氬氣保護下用激光束對步驟(2)中預(yù)涂層進行激光熔覆，激光束垂直掃描，預(yù)涂層在激光能量照射下原位反應(yīng)生成陶瓷硬質(zhì)相的熔覆層；按照相同熔覆工藝參數(shù)對所述熔覆層進行激光重熔進一步細(xì)化得硬質(zhì)晶體相的熔覆層；

(4)熔覆層的后處理：使用千分尺對熔覆前后的尺寸檢測，通過著色探傷檢測，確保熔覆層無裂紋、氣孔、夾雜等缺陷。

熔覆層陶瓷硬質(zhì)相包含tic、tib2、b4c、sic、y2o3、zro2；熔覆層與基體材料產(chǎn)生冶金結(jié)合，平均維氏硬度高達2000hv。

實施例4

激光熔覆原位自生陶瓷相增強fe基合金熔覆層材料，由包含以下組分和重量百分比含量的原料組成：co9.5wt％，cr9.5wt％，ni9.5wt％，mn9.5wt％，ti9.5wt％，si9.5wt％，c19wt％，b4c2.5％，bn2.5wt％，y2o34.5wt％，zro24.5wt％，余量為fe；原料純度不低于99.9wt％，平均粒度為150um。

激光熔覆原位自生陶瓷相增強fe基合金熔覆層的制備方法，包含以下步驟：

(1)基體材料的預(yù)處理：基體材料為低碳鋼，預(yù)處理包括表面打磨、表面除油除銹，所述表面打磨采用車削或砂紙打磨，所述表面除油除銹采用酒精進行表面清洗和擦拭，然后烘干備用；

(2)熔覆層原料的準(zhǔn)備與混合：按照所述原料重量百分比和組分稱取原料并充分混合均勻，用酒精均勻調(diào)成糊狀，然后將糊狀混合粉末均勻涂敷步驟(1)中基體材料的待熔表面得預(yù)涂層，涂層厚度為3mm，自然風(fēng)干；

(3)激光熔覆和重熔：開啟3500w二氧化碳?xì)怏w激光器，調(diào)節(jié)激光熔覆工藝參數(shù)：激光功率為3.5kw，掃描速度為7mm/s，光斑直徑為4mm，激光器鏡面到基體表面的距離為100mm，在保護氣壓為0.9mpa的氬氣保護下用激光束對步驟(2)中預(yù)涂層進行激光熔覆，激光束垂直掃描，預(yù)涂層在激光能量照射下原位反應(yīng)生成陶瓷硬質(zhì)相的熔覆層；按照相同熔覆工藝參數(shù)對所述熔覆層進行激光重熔進一步細(xì)化得硬質(zhì)晶體相的熔覆層；

(4)熔覆層的后處理：使用千分尺對熔覆前后的尺寸檢測，通過著色探傷檢測，確保熔覆層無裂紋、氣孔、夾雜等缺陷。

熔覆層陶瓷硬質(zhì)相包含tic、tib2、b4c、sic、y2o3、zro2；熔覆層與基體材料產(chǎn)生冶金結(jié)合，平均維氏硬度高達2000hv。

實施例5

激光熔覆原位自生陶瓷相增強fe基合金熔覆層材料，由包含以下組分和重量百分比含量的原料組成：co9wt％，cr9wt％，ni9wt％，mn9wt％，ti9wt％，si9wt％，c18wt％，b4c2％，bn2wt％，y2o34wt％，zro24wt％，余量為fe；原料純度不低于99.9wt％，平均粒度為200um。

激光熔覆原位自生陶瓷相增強fe基合金熔覆層的制備方法，包含以下步驟：

(1)基體材料的預(yù)處理：基體材料為低碳鋼，預(yù)處理包括表面打磨、表面除油除銹，所述表面打磨采用車削或砂紙打磨，所述表面除油除銹采用酒精進行表面清洗和擦拭，然后烘干備用；

(2)熔覆層原料的準(zhǔn)備與混合：按照所述原料重量百分比和組分稱取原料并充分混合均勻，用酒精均勻調(diào)成糊狀，然后將糊狀混合粉末均勻涂敷步驟(1)中基體材料的待熔表面得預(yù)涂層，涂層厚度為3mm，自然風(fēng)干；

(3)激光熔覆和重熔：開啟4500w二氧化碳?xì)怏w激光器，調(diào)節(jié)激光熔覆工藝參數(shù)：激光功率為3kw，掃描速度為9mm/s，光斑直徑為4mm，激光器鏡面到基體表面的距離為100mm，在保護氣壓為0.8mpa的氬氣保護下用激光束對步驟(2)中預(yù)涂層進行激光熔覆，激光束垂直掃描，預(yù)涂層在激光能量照射下原位反應(yīng)生成陶瓷硬質(zhì)相的熔覆層；按照相同熔覆工藝參數(shù)對所述熔覆層進行激光重熔進一步細(xì)化得硬質(zhì)晶體相的熔覆層；

(4)熔覆層的后處理：使用千分尺對熔覆前后的尺寸檢測，通過著色探傷檢測，確保熔覆層無裂紋、氣孔、夾雜等缺陷。

熔覆層陶瓷硬質(zhì)相包含tic、tib2、b4c、sic、y2o3、zro2；熔覆層與基體材料產(chǎn)生冶金結(jié)合，平均維氏硬度高達2000hv。

雖然，上文中已經(jīng)用一般性說明及具體實施例對本發(fā)明作了詳盡的描述，但在本發(fā)明基礎(chǔ)上，可以對之作一些修改或改進，這對本領(lǐng)域技術(shù)人員而言是顯而易見的。因此，在不偏離本發(fā)明精神的基礎(chǔ)上所做的這些修改或改進，均屬于本發(fā)明要求保護的范圍。